冬奥新项目想获奖？物理定律可帮忙

　　运动员在比赛中图片来源：《科学美国人》官网

　　即将在韩国平昌举行的冬季奥运会，新增了单板滑雪大跳台、速度滑冰及冰壶混双等几个新项目。而单板滑雪大跳台可能最抓眼球，因为高达49米的世界第一高滑雪坡道，将创造惊人的新技巧，危险而壮观的滑雪动作。

　　为了在这场比赛中脱颖而出，运动员必须控制自己的神经和肾上腺素，同时直观地掌握角动量守恒、雪热力学等物理学知识，否则，只要一个失误，就会带着扭伤的手腕、脚踝和膝盖损伤回到地面、离开赛场。

　　空中转体后怎么安全落地，得向猫学习

　　美国堪萨斯州立大学物理学家迈克尔·奥谢说：“一些表演者可能开发新技巧，因为本次将比以往跳得更高。”奥谢写过一本关于户外运动中的物理学的书，他说，新项目让运动员在空中的时间更多，他们将不得不做出调整。如果光线或能见度不好，很难看到地面正在以50英里/小时的速度向他们扑面袭来。“真希望运动员脑子里有个计时器，可以计算自己在空中盘旋多久比较安全。”

　　今年的滑雪选手包括加拿大的麦克斯·派洛特和奥地利的安娜·加赛尔。他们在上个月末美国科罗拉多州举行的冬季项目比赛中名列前茅。令人印象深刻的是，派洛特做出了5次完整的侧转体（1800°）和4次完整的正面翻滚转体（1440°），且每次都完美地滑板触地。

　　派洛特、加赛尔和其他佼佼者除了本能地操控身体进行复杂的旋转、扭曲动作，其实还用到了角动量原理。

　　任何绕轴旋转的物体，比如旋转的陀螺，都倾向于以同样的速度旋转，除非某个物体挡住了它的方向，或者它自己改变了形状。滑雪者也是如此，角动量总量基本保持不变（除了受到空气阻力的一点点影响）的情况下，运动员在空中拉回手臂会旋转得更快，反之，如果把手臂伸出去，就会变慢。

　　如果一只猫从高处掉下来，它会扭动身体以脚着地。这个神奇的求生动作，科学家从物理学角度做了解释：猫以腰为支点，前、后两部分身体分别做出反方向的转体动作。首先向后伸出后腿增加后半身的转动惯量，同时把前腿缩在胸前，以减少前半身的转动惯量。如此一来，在满足运动平衡的前提下，后半身只需反方向转动一点，前半身就可以大幅度地转身面向地面了。随后再伸展前肢、缩回后腿，重复以上转动，使后半身也转向地面。依靠对运动物理学精湛的运用，它们可以成功地四脚着地，而不是摔个四脚朝天。

　　加州大学天体物理学家马尔福萨·布拉达所教的课程是运动中的物理学，除了滑雪，还包括冲浪。他说，从16层楼高的跳台上跳下，运动员面临的是与猫同样的处境——如何旋转并安全落地。“与猫不同的是，运动员的脚被绑在了雪板上。”

　　起飞瞬间的精准动作设计，能减少运动损伤

　　此外，跳跃姿态的微小差异会影响运动员的动量。比如，急剧上升的曲线会引起向后旋转。在雪地里，一个滑板运动员可能在起飞时得到一个意想不到的角度，从而直接影响着陆时的结果，并可能引发运动损伤。

　　科罗拉多矿业学院物理学家詹姆斯·麦克尼尔对冬季公园地形进行了建模，并基于此设计安全的跳跃姿势。“这并不意味着运动员不再受伤，但起码会降低受伤的可能性和程度。”

　　加州大学戴维斯分校的机械和航空工程师蒙特·哈伯德说：“滑雪板选手知道他们在做什么，也能够在飞行中控制自己的身体，了解物理学知识会让他们如虎添翼。”

　　大多数滑雪板跳跃时会有一个起飞点，然后是一段平稳的时间，选手们在此间表演特技，然后是降落区域，那通常是一条与地面呈40°角的斜坡。

　　物理学家使用“等效下降高度”的概念来量化这种情况下的潜在影响。一个从49米高空坠下的人肯定会受伤，但是，当滑雪板沿着一定角度斜坡向下滑行时，就相当于从低得多的高度下降，重力势能被转化为向前移动的动能。因此，在陡坡落地更安全，膝盖受冲击力量也小得多。

　　国际滑雪联合会竞赛主管罗波尔图·莫里斯对媒体说：“在设计阶段，我们在考虑起飞角度和着陆角度时，会仔细观察所有的测量数据和飞行曲线。一个好的跳跃动作，会让运动员在落地时几乎感觉不到冲击，这是我们的目标。”

　　尽管采取了所有的物理预防措施，但莫里斯对天气状况表示了担忧，而这正是组织者无法控制的因素。如果天气条件较好，那么在起飞和降落的几秒、十几秒内，参赛运动员只要关注自己的动作就好了。

　　（科技日报北京2月5日电）